液相等离子体电解渗透技术

介绍了阴极等离子体电解渗透技术的工艺特点、试验机理、放电过程参数及其渗透层的性能,讨论了阳极等离子体电解渗透技术存在的问题,展望了液相等离子体电解渗透技术的应用前景。

甘油浓度对不锈钢表面液相等离子体电解渗透过程的影响

以50%～90%(体积分数)甘油水溶液为电解液,研究304不锈钢表面液相等离子体电解快速渗碳工艺;分析不同甘油浓度和电压下渗碳层的显微组织、相组成和显微硬度。结果表明,随甘油浓度的提高,渗透电压上升,渗碳层厚度增加,渗碳层硬度增大,最大硬度达到762HV;且渗碳层中固溶碳的奥氏体(γC)含量急剧增加,但碳化物含量降低。在80%(体积分数)甘油水溶液和电压350 V工艺条件下获得的渗碳层质量较好。

甘油体系中不锈钢表面液相等离子体电解渗碳工艺

采用液相等离子体电解渗方法,在80%甘油水溶液中实现了304不锈钢表面快速渗碳。研究施加电压和放电时间对渗碳过程的影响,分析了渗碳层的显微组织,并比较了不同工艺条件下渗碳层显微硬度分布。结果表明:经过5 min的快速放电处理,渗碳层厚度接近100μm,硬度达到880 HV。在350 V和3 min渗透条件下渗碳层质量较好。

槽电压对纯铁表面液相等离子体电解硼碳氮三元共渗层摩擦磨损性能的影响

利用液相等离子体电解渗技术分别在340,360V和380V槽电压下对纯铁进行硼碳氮三元共渗(PEB/C/N)表面处理。分析纯铁表面PEB/C/N共渗层的形貌、成分、相组成和显微硬度分布。采用球-盘摩擦磨损仪评估槽电压对渗层摩擦磨损性能的影响,并分析渗层与ZrO_2球对磨时磨损机理。纯铁表面的PEB/C/N三元共渗层厚度随着放电电压升高而增大,最高硬度也相应增加。380V处理1h后硼碳氮三元共渗层中渗硼层和过渡层厚度分别达到26μm和34μm,渗层最高硬度可以达到2318HV。硼碳氮三元共渗层的磨损率仅为纯铁基体的1/10。硼碳氮共渗处理大幅度降低纯铁的摩擦因数和磨损率,但不同槽电压下制备的PEB/C/N共渗层的摩擦因数和磨损率变化较小。

“液相等离子体电解-微弧氧化表面改性技术”专题序言

液相等离子体电解技术利于液相放电产生高温等离子体,对轻金属和钢铁等金属材料进行表面改性,形成氧化物陶瓷膜或渗层,这些硬化层具有高硬度、耐腐蚀、耐磨损、抗热震、催化和生物相容性良好等优异性能,是目前材料科学研究的前沿领域。

渗氮电压对液相等离子体电解渗氮层组织及耐腐蚀性能的影响

以氨水和KCl的混合溶液为电解液,利用液相等离子体电解渗氮工艺在180,200,220,240V电压下于38CrMoAl钢表面制备了渗氮层,研究了渗氮电压对渗氮层组织与耐腐蚀性能的影响。结果表明:随着渗氮电压升高,渗氮层中白亮层和扩散层的厚度不断增加,当渗氮电压为240V时,白亮层和扩散层的厚度最大,分别为42.9μm和84.9μm;渗氮层表面均呈"火山凸起"微区形貌,随着渗氮电压增大,"火山凸起"微区的落差逐渐增大,孔洞分布均匀性逐渐降低,孔径逐渐增大,渗氮层的峰值硬度先增大后趋于稳定;在200,220,240V电压下制备渗氮层的耐腐蚀性能优于基体的;当渗氮电压为220V时,渗氮层的耐腐蚀性能最好。

电压对低碳钢表面液相等离子体电解碳氮共渗层的摩擦学性能影响

为了提高低碳钢的耐磨性,成功地采用等离子体电解碳氮共渗技术在不同电压下对低碳钢进行表面处理。使用往复式摩擦磨损测试仪分析改性表面的摩擦磨损性能;扫描电子显微镜(scanning electron microscope, SEM)和能谱仪(energy dispersive spectroscopy, EDS)分析渗透层的表面、截面形态和组成;使用3D共聚焦显微镜分析渗透层的磨痕;使用X射线衍射(X-ray diffraction, XRD)研究渗透层的相组成。结果表明,共渗层的厚度和显微硬度均随着施加电压的增加呈现先升高后降低的趋势,在电压为350 V时,共渗层厚度最厚,硬度最大,分别为130.24μm和846.7 HV,此时共渗层的摩擦系数最小,约为0.65,磨痕轮廓深度仅为14.79μm。液相等离子体电解渗技术在共渗层形成的铁碳化合物和铁氮化合物是其耐磨的主要原因。

不锈钢在甘油体系中等离子体电解渗碳层特性研究

以甘油+20%水溶液为电解液,利用液相等离子体电解渗技术在AISI304不锈钢表面成功实现了快速渗碳。分析了渗碳层的组织结构,并评估了渗碳层与GCr15钢球对磨时摩擦学行为。结果表明,经过3min/350 V等离子体电解渗处理,渗碳层深度达到85μm,最大显微硬度达到762 HV0.02。干摩擦条件下,渗碳层的磨损率比不锈钢基体降低了一个数量级。

液相等离子体电沉积表面处理技术

液相等离子体电沉积技术是一项新兴的表面处理技术 ,利用此技术可在多种金属及合金表面得到耐磨、耐蚀、耐热冲击、绝缘的优质膜。本文分别从等离子体氧化和等离子体渗透两个方面介绍了该技术的工艺机理、制备及影响因素、膜层性能 。

不锈钢的液相等离子体表面强化初探

在试样上施加250～600V、1500Hz的高压脉冲电源,在乙二醇-氯化钠电解液中,1Cr18Ni9Ti不锈钢试样作阴极,石墨作阳极,在试样表面产生明显的微区等离子放电,经3～5min处理,试样表面获得厚约0.2mm的强化层。结果表明:1Cr18Ni9Ti不锈钢在经过液相等离子体强化处理后,其显微硬度由心部的175.6HV增加到513.2HV,通过X射线衍射分析得出在试样表面有大量的(Fe-Cr-Ni-C)相存在,从而反映出在本实验条件下,试样表面可产生明显的强化作用;为1Cr18Ni9Ti不锈钢的强化探索了一条新的途径。

阴极等离子体电解沉积工艺参数对放电与沉积过程的影响

为进一步认识和控制阴极等离子体电解沉积过程,研究了工艺条件对锌沉积时放电和沉积过程的影响,用扫描电镜和金相显微镜分别观察沉积层的表面和截面形貌,用能谱仪和X射线衍射仪进行沉积层元素和物相分析。结果表明,极间电压增大到约200V以上的某一电压值时阴极上发生等离子放电,初始放电电压与电解槽中的溶剂种类、氯化钠添加量有关,随乙醇和氯化钠添加量的增大而降低。要在阴极上实现锌的沉积,就应控制工艺条件使初始放电电压尽量低,且极间电压宜维持在初始放电电压以上10~20V。采用水和乙醇混合作溶剂比只用水作溶剂容易实现稳定的阴极沉积,沉积层厚度明显大,但沉积物表面的颗粒较粗大,致密性要差。

“液相等离子体电解-微弧氧化表面改性技术”专题主编薛文斌

薛文斌,北京师范大学核科学与技术学院教授,博士生导师,微弧氧化研究组组长,《表面技术》、《航空材料学报》编委,全国热处理学会理事。1994年以来主要从事液相放电金属表面处理研究,包括微弧氧化和等离子体电解渗,涉及表面工程、材料腐蚀防护、摩擦磨损、轻合金、核材料、环境保护等领域。

阴极等离子体电解氧化表面改性新方法探索

阴极等离子电解氧化(CPEO)打破等离子体电解领域传统认识,利用液相放电现象,使钢铁及钛基材料阴极表面快速氧化,是一种氧化膜制备新方法,提高了材料的耐磨、耐蚀性能。与微弧氧化或阳极等离子电解氧化技术相比,CPEO技术的氧化膜生长速率显著提高,并适用于各种钢铁材料表面改性。介绍了CPEO技术的基本原理,包括液相放电现象和电压电流的演变过程、气膜形成与击穿过程、阴极内部近表面温度随电压变化规律和快速氧化过程,并对比分析了CPEO与阳极等离子体电解氧化和电解渗技术原理的共性与差异。介绍了光发射谱测量和等离子体参数的计算结果,分析阴极等离子体放电环境中阴极等离子体电解氧化机制。进一步总结了碳钢、不锈钢、Mo、TiAl合金表面CPEO膜的形貌、组织结构和性能特点,分析电解液中悬浮的碳粉特性,探讨放电过程中类金刚石(DLC)成分合成的可行性,并初步制备出含DLC成分的CPEO复合氧化膜。最后总结并展望了CPEO技术的发展方向以及应用前景。

等离子体电解处理中工件表面温度计算与测量

为研究液相等离子体电解渗过程中施加的工作电压与工件表面温度的关系,建立了以工件—气膜—电解液三相体系为研究对象的热传导物理模型。等离子电解处理时,工件表面被一层连续而稳定的等离子体气膜所包围,气膜将工件与电解液分开,气膜与工件边界的温度即为工件表面的温度。建立气膜的热传导方程,采用第一类和第二类边界条件求解气膜中的温度分布,从而得到工件表面温度计算的表达式。实际测量了不同工作电压时工件的温度,理论计算的工件表面温度与实验测温结果都表明,随着工作电压的增大,工件表面温度不断增加。当温度计算模型中的气膜热导率是温度的函数、气膜电导率为常数的条件下,理论计算结果与实验结果符合程度最好。

等离子体电解渗入技术及其在不锈钢表面改性中的应用研究进展

从液相等离子体电解渗入技术(PES)的发展历程、技术类型和特点、反应装置以及材料研究体系等方面介绍了等离子体渗入技术及其在不锈钢表面改性研究中的应用现状。在技术类型上,主要集中在阴极等离子体电解渗入方面,渗入元素主要为氮、碳等非金属元素;在设备装置上,设计装置的主要为实验型装置,结构不规范,工作效率低,且不利于大型构件的处理;在研究对象上,主要集中在性能较差、应用较广的碳钢上,在不锈钢、高性能合金及有色合金方面的研究较少;在研究内容上,主要集中在渗层的常规组织结构和力学性能研究,在渗层耐蚀性和功能性方面的研究相对较少。今后应开展阳极液相等离子体渗入技术研究,扩大渗入元素类型,重点开发高效率、工业化的装备,进一步扩大研究对象(如不锈钢、高性能合金、有色金属及其合金),开展渗层耐蚀性及功能性方面的评价。

活塞环表面等离子电解沉积陶瓷涂层的试验研究

为提升活塞环性能,采用液相等离子体电解沉积陶瓷涂层的技术方案,进行了活塞环表面强化的试验研究。分析了工作电压、处理时间和基体表面粗糙度对涂层结合力的影响规律,表征了PED陶瓷涂层的形貌和相组成。在此基础上,对比分析研究了PED陶瓷活塞环的硬度、摩擦学性能、耐腐蚀性能。研究结果表明:PED陶瓷涂层表面呈蜂窝状形貌,涂层的相由γ-Al_(2)O_(3)相和α-Al_(2)O_(3)相构成,且以α-Al_(2)O_(3)相为主晶相;PED陶瓷涂层与基体的结合力随工作电压的提高及处理时间的延长,均呈先增大后减小的趋势,随基体表面粗糙度的增大而增加。经PED处理后,试样的表面硬度可达1 185HV,其摩擦系数和磨损率分别降低了6.4%、29.4%;极化电阻提升至1.75×10^(4)Ω·cm^(2),较未处理活塞环提高一个数量级以上。

液相等离子体电解硼碳共渗AZ31镁合金的组织与性能

采用扫描电镜(SEM)、X射线衍射(XRD)、显微硬度计和电化学方法研究了液相等离子体电解硼碳共渗(PEB/C)AZ31镁合金表层的组织与性能。结果表明:PEB/C处理使AZ31镁合金表面形成具有沟壑形貌特征的熔体组织,且熔体组织随PEB/C电压的升高而增多;PEB/C处理AZ31镁合金表层组织由MgO、MgC2、Mg2 C3和Mg(BO2)2相组成,试样表面硬度增加,且随PEB/C电压的增加呈现“先增加后减小”的变化趋势,PEB/C电压为90 V时,表面硬度达到最大值,由未处理的75.8 HV0.1增加至125.4 HV0.1;PEB/C处理使AZ31镁合金的耐蚀性提高,且随着PEB/C电压的升高,自腐蚀电流密度降低、极化电阻增加,PEB/C电压增加至130 V时,自腐蚀电流密度由未处理的2.396×10^-4 A/cm^2降低至6.228×10^-5 A/cm^2,极化电阻由未处理的9.354×10^4Ω增加至3.533×10^5Ω。

钢铁表面液相等离子体电解渗氮技术研究进展

液相等离子体电解渗氮(PEN)技术是一种新兴的钢铁表面处理技术,具有环境适应性好、处理速度快、成本低且节能环保等优点。文章详细描述了钢铁表面阳极和阴极液相PEN的反应原理及过程,分析了处理时间、电压、温度和电解液体系等因素对处理后试样材料表面改性层质量、耐磨性、耐蚀性等性能的影响。发现处理电压对阴极液相PEN渗层质量影响较大而阳极液相PEN的渗层质量则主要受处理温度的影响,摩擦磨损试验表明钢铁试样经液相PEN处理后摩擦因数虽有所提高但耐磨性显著增强,从极化曲线中可以看出钢铁材料经液相PEN处理后耐腐蚀性明显增强,且随着处理电压的提高呈上升趋势。文章还介绍了一些可用于PEN技术研究的新方法,同时指出了当前PEN技术研究存在的不足,对应用液相PEN技术强化钢铁表面质量的研究以及工艺路线优化有积极帮助。

镁合金液相电解渗硫层的制备及性能

为提高AZ91D镁合金表面的耐蚀与耐磨性能,采用液相电解渗透技术,在硫代硫酸钠体系的电解液中,在其表面制得了一定厚度的渗硫层。采用扫描电子显微镜、电子探针、X-射线衍射仪等设备研究了渗硫层的微观结构及成分,利用电化学工作站和球-块往复式摩擦试验机对其耐蚀性和耐磨性进行表征。结果表明：经过液相等离子体电解渗硫处理后的渗层中出现了MgS、Al2S3等硫化物。与基体相比,渗硫层的耐蚀性和耐磨性均得到了提高,其腐蚀电流减小了1个数量级,极化电阻增大约15倍,摩擦系数降低3～4倍左右。

液相等离子体碳氮共渗时间对H13热作模具钢渗层组织及性能的影响

为提高H13热作模具钢的高温抗氧化性能及硬度,采用液相等离子体电解碳氮共渗技术对H13热作模具钢进行了碳氮共渗处理,用XRD、SEM、维氏硬度计等检测手段,对模具钢共渗层的微观结构、物相组成、硬度及高温抗氧化性进行测试,研究了碳氮共渗时间对渗层组织性能的影响。结果表明,在200 V电压下,分别经3、5、7 min液相等离子体碳氮共渗后的H13热作模具钢表面形成了铁的碳化物和氮化物,渗层的相组成包括Fe、Fe_(19)Mn、CrFe_(4)、Fe_(3)C、Fe_(2-3)N。随着碳氮共渗时间的延长,熔融物颗粒越聚越多,会产生“山坡”状形貌,使其表面变得更加粗糙,渗层厚度也增加,当碳氮共渗时间为7 min时,渗层厚度最大约5.9μm。显微硬度随碳氮共渗时间的延长而升高,碳氮共渗7 min渗层的显微硬度最高达到403.13 HV0.2。H13热作模具钢经液相等离子体电解碳氮共渗后,其耐高温氧化性能显著提高。